CN103939186A - 用于调节车辆中的废气催化器的再生频率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于再生车辆的内燃发动机的排气管路中的废气催化器的方法，所述方法包括以下步骤：检测燃料箱的燃料添加情况；在检测了所述燃料添加情况后，针对预定的车辆行驶距离和/或由车辆所消耗的预定燃料量，估计用于所述燃油的所述催化器的转化效率，其中，所述废气催化器的转化效率基于在废气中喷入所述燃料产生的温升来确定；将所述转化效率与预定效率比较；和基于所喷入的燃料的转化效率的所述比较来调节所述车辆中的所述废气催化器的再生频率。

Description

用于调节车辆中的废气催化器的再生频率的方法和装置

技术领域

本发明涉及废气催化器的基于燃料品质的再生。

背景技术

自工业革命开始，由于化石燃料的用量快速增加，空气污染已经呈上升趋势。特别是汽车行业已经成为燃料的主要用户和空气污染的主要制造者。这个问题本质上基本是全球性的，因为汽车排放导致大气层中温室气体增多，从而引起全球变暖。

车用燃料、例如汽油和柴油的掺杂导致排放物增多和后续对公众健康的危害。煤油中高的硫含量会使催化器失活并且降低其对发动机排放污染物的转化效率。

排放标准是对可被释放到环境中的污染物的量设定的具体限制的要求。虽然许多排放聚焦于控制车辆(机动车辆)和其它有动力的车辆产生的污染物，不过也能规范来自工业、发电厂、小型设备(如割草机和柴油发电机)的废气排放。对排放标准的常见替代政策是技术标准。

排放物性能标准是限定值，其设定了不同类型的排放控制技术可能需要高于的阈值。而排放标准已经用于指示常见的污染物，如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、烃类(HC)和颗粒物(PM)的限制。

各种用于处理废气的技术已被采用来遵守严格的排放标准。废气包括污染物，如一氧化碳(CO)、烃类(HC)、各种氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)。不同的技术被用于降低不同种类的污染物。其中的一些技术包括：使用过滤器用来捕获颗粒物、氧化催化器用来还原一氧化碳和烃类、选择性催化还原法(SCR)方法用于还原氮氧化物等。

燃料中的硫对废气催化器，如DOC(柴油氧化催化器)、DPF(柴油颗粒过滤器)、NSC(氮氧化物储存催化器)等而言是个问题。它降低了这些催化器的效率，催化器不得不频繁再生来脱除硫。再生对策也是基于对燃料中硫含量的假设而定的。

对油品质量存在着一些规定，比如：印度BS4(Bharath4级)燃料中硫的最高含量是50ppm，而在BS3(Bharath3级)燃料中硫含量可高达350ppm。

对于印度这个BS4和BS3燃料并存的国家，确定这些再生对略是困难的。比如：如果一个BS5(Bharath5级)车辆(带着DPF/DOC)使用BS3燃料，那么不得不增加硫的再生频率。现在没办法指示发动机控制单元(ECU)用的是什么种类的燃料。同样当使用的掺混燃料中硫含量比预计限制更高时，不可能指示ECU并改变再生频率。

发明内容

本发明如独立权利要求中所述具有以下优点。本发明的装置和方法在添加燃料后检测废气催化器的转化效率，告知驾驶员所加燃料的品质并基于燃料的品质调节废气催化器的再生频率。由于它根据燃料的品质设定再生频率，催化剂中的硫在适当的时候被除去，所以车辆通过一直降低排放来满足排放标准。如果燃料品质比先前的燃料品质好的话，那就会额外增加燃料的经济性。

附图说明

本发明的一个示例性实施例在说明书中详细地公开并在附图中示出。

图1为本发明的框图；

图2示出了废气催化器；以及

图3示出了DOC的转化效率图。

具体实施方式

图1示出了车辆(没有显示出)中的装置100的操作。装置100是具有微处理器或微控制器的电子控制单元或发动机管理单元，所述微处理器或微控制器上带有标准外围设备和部件。装置100控制内燃发动机(IC发动机)60的和该内燃发动机60的排气管路中的废气系统80的操作。装置100包括检测元件10、喷射元件12、预测元件15、估计元件20、调节元件25、温度接收元件30和查找表50。废气系统80包括废气催化器70和分别位于催化器70的上游和下游的第一温度传感器T1和第二温度传感器T2。

检测元件10检测燃料箱的燃料添加。喷射元件12通过喷射系统14来将燃料喷入IC发动机中，并且也通过燃料喷射器I2来控制到废气管62中的燃料喷射。温度接收元件30通过第一和第二温度传感器T1和T2接收废气催化器70中的热度。估计元件20估计废气催化器70的转化效率。调节元件25调节废气催化器70的再生频率。再生是一种用来脱除积累在废气催化器上的硫化物(SOx)和/或DPF上的烟怠的过程。

如图1所示，传感器30、如燃料盖传感器通过信号通道34连接到装置100。传感器30安装在燃料箱32的燃料盖36上来接收燃料箱32的开或关的指示，从而检测车辆燃料箱32的燃料添加情况。在另一方式中，传感器30还可作为重量传感器来检查燃料箱32的重量变化从而检测车辆燃料箱32的燃料添加情况。同样可能的是，可以通过使用燃料液位传感器检测燃料液位上升的方式来确定燃料箱32的燃料添加情况。但是，对本领域技术人员而言，存在另外的检测车辆燃料添加情况的方法是显而易见的。

查找表50包含废气催化器70的、与燃料中的硫浓度、所行驶的距离或所消耗的燃料量相关的预定的转化效率。对多种硫浓度和多种距离或所消耗的燃料量而言，多个对应的预定的转化效率值储存在查找表里。比如：在某一地区所加的燃料的硫浓度是50ppm，而其它地区(城市)燃料中的硫含量可以是350ppm。如果燃料中的硫含量高，可能会损害废气催化器，因为烟怠/SOx的大量形成，因而与制造商所建议的相比，废气催化器70需要以更少的距离和/或基于所消耗的预定的燃料量来频繁地再生，或较早地处理，或必须采取纠正措施，以避免对废气系统80的任何损害废气系统80。

废气系统80包括废气催化器70，比如DOC(柴油氧化催化器)。废气催化器70放在车辆的内燃发动机的排气管路里。从内燃发动机60产生的废气被引导通过排气管62，以便借助于废气催化器70去除有害的气体。

如图2所示，废气催化器70、比如柴油氧化催化器(DOC)包括载体72、第一部分74和第二部分76。第一部分74是包括烃类捕集器(HC trap)的载体涂层，并被涂在载体72上。β沸石被用于HC捕集器，以便有效地吸收烃类。特别是该β沸石具有十二环结构，且氧化硅SiO₂与氧化铝Al₂O₃的比为24-38。另外，该β沸石是第一部分74中的整个载体涂层的30-50％。通常情况下，在废气的温度低于或者等于250℃时，β沸石吸收HC，而在废气温度高于250℃时释放所吸收的HC。因此，第一部分74在废气温度低于或等于预定温度时吸收HC，而在废气温度高于预定温度时释放HC。

第二部分76包括贵金属催化剂、比如铂和/或钯，并被涂在第一部分74上。第二部分76氧化废气中所含的HC和CO。另外，第二部分76还氧化从第一部分74释放的HC。在这种情况下，DOC70的温度快速上升。因此，直接降低了HC和CO排放。

在下列反应中，柴油氧化催化器(DOC)氧化烃类和一氧化碳，形成二氧化碳和水：

2CO+O2→2CO2

[HC]+O2→CO2+H2O

上述的转化是放热反应，所以在催化器中释放热量。

DOC70的另外一个作用是对硫化合物的吸收。在发动机中的燃烧过程中，燃料中的硫被氧化为SO₂和SO₃。如图2所示，这些化合物于低温(大概低于300℃)下在催化器表面上吸收在贵金属位(第二部分76)上，并与氧化铝反应生成硫酸铝，从而减少了载体涂层的活性表面并且使催化器失活。这降低了催化器70对HC和CO排放物的还原能力，因此催化器转化效率降低了。该过程被称作催化器中毒。由硫化合物引起的催化器中毒是可逆的。催化器可以通过升高催化器的温度至大概500℃来脱硫再生。

通过用喷射元件12将燃料喷射到废气中来增加DOC70的温度。喷射的燃料被DOC70氧化并放出热量，且催化器的温度快速上升，并且如果温度高于约500摄氏度，那么所吸收的硫化合物将被释放，如图2所示。如果燃料含硫量较高，催化器失活将加快，因此再生频率需要调节。

氧化催化器的转化效率被定义为：

转化效率＝测得的热量值/预测的热量值

$W_{\mathrm{meas}}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}m.\mathrm{Cp}(T_{\mathrm{meas}}-T_{\mathrm{ref}})\mathrm{dt}$

$W_{\exp }=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}m.\mathrm{Cp}(T_{\exp }-T_{\mathrm{ref}})\mathrm{dt}$

该积分从燃料喷射到废气中的起始(时间＝0)开始，直到燃料喷射的结束(时间＝t)。

其中：

m-废气管(62)中的废气质量流速(Kg/h)：废气质量流速是燃料和空气在内燃发动机中燃烧产生的气体的流速。它主要通过燃烧过程的产物产生。

Cp-废气比热(KJ/Kg/K)：1Kg废气质量升高1K温度所需要的热量。

T_meas-由催化器之后的第二温度传感器T2测得的摄氏温度。

T_ref-对处在催化器下游位置处的没有涂层的催化器(没有铂或钯涂覆的DOC结构)的以摄氏度估计的估计温度。这是指在没有图2中的第二部分76的情况下的估计温度。

T_exp-位于T2位置的未使用的DOC以摄氏温度测得的估计温度。未使用的DOC是尚未使用的新生的或新的DOC。

热量通过温度接收元件30以使用第一和第二温度传感器T1和T2得到的温度来测量。温度T1用来调节DOC70的上游温度。

图3显示在不同硫含量浓度的情况下DOC70的转化效率(80、82、84、86和88)与温度的关系图。在图3中，在燃料箱中的现有燃料的假定硫浓度为50ppm的情况下，情况好的DOC在图中例如具有90％的最大转化效率80。对于存储在查找表50中的由车辆所行驶的预定距离或所消耗的预定燃料量而言，装置100的预测元件15预测用于这种燃料的转化效率阈值82。所述预定距离例如可以是100KM和/或所述所消耗的预定燃料量可以是10升。如果燃料箱重新加入了新燃料，则装置100的预测元件15为下一预定距离或由发动机消耗的预定燃料量预测要获得的转化效率阈值82。如果重新加入的燃料具有更高的硫浓度、例如350ppm，相比于期望的转化效率阈值82，测得的转化效率84的转化效率更低。同样地，如果燃料箱再次重新加入燃料，经历了短距离行驶或者下一消耗的预定燃料量后，如果对于硫浓度为350ppm的燃料预测的转化效率阈值以附图标记88表示，测量的转化效率以附图标记86表示，那么废气催化器的转化效率在重新加入燃料后变得更好。这表明燃料品质优于之前的燃料。由此预测元件15根据废气催化器70的转化效率为驾驶员指示燃料的品质。如果催化器的转化效率随着预测的转化效率阀值的减小而减小，那么废气催化器的再生频率就要增加。如果催化器的转化效率随着预测的转化效率阀值增加，那么废气催化器的再生频率就要减少。预测元件在查找表中存储着对应多个硫含量和多个距离或预定的燃料消耗耗量的多个预定转化效率值。

根据本发明，装置100根据经由信号路径34从传感器30接收的数据通过检测元件10检测车辆燃料箱的燃料添加情况。一旦车辆判断出添加燃料，装置100就开始根据基于温升作用而确定的转化效率指示燃料的品质。温升是从上一个温升作用开始，在车辆行驶了预定距离或消耗了预定燃料量之后，通过借助喷射系统14进行燃料后喷射，或通过借助燃料喷射器12直接把燃料喷入废气管62而产生的。通过在预定的时间内监控离开废气催化器的废气的温度来测量温升。装置100基于喷入的燃料和存储于查找表50中的转化效率的比较来确定废气催化器70的转化效率，并通过调节元件25触发控制信号来设定废气催化器的再生频率。阈值效率是通过有多少转化效率偏离或不同而确定的预测的燃料转化效率。根据所指示的燃料品质，调节元件25调节废气催化器70的再生频率。

调节车辆的内燃发动机的排气管路中的废气催化器的再生频率的方法包括如下步骤。第一步，检测燃料箱的燃料添加情况。第二步，检测燃料添加情况后，为预定的车辆行驶距离或预定的所消耗的燃料量估计针对新燃料的废气催化器的转化效率。下一步，把估算的转化效率与借助预测元件预测的预定转化效率进行比较；最后一步，根据所比较的转化效率调节废气催化器的再生频率。如果重新加入的燃料的转化效率不同于预测的转化效率阀值，废气催化器的再生频率就会被调节。

当燃料箱重新添加燃料，装置100就会再次计算添加物的浓度，并尤其根据转化效率和车辆所行驶的距离或所消耗的燃料量确定再生频率的新值。再生频率可设置成：对于50ppm的硫掺杂水平是每1000公里(KM)，和对于350ppm的硫掺杂水平是每600公里。该设置在车辆运行过程中进行，并指示驾驶员下次再生发生的时间。该指示将帮助驾驶员把车辆送到车库更换过滤器或者清理过滤器或者再生过滤器。装置100也会对燃料的品质发出警告。

尽管本发明已经通过具体的实施例进行了描述，对于本领域的技术人员而言，许多其它的变化和修改以及其它用途也是显而易见的。例如DOC70的转化效率也可以通过使用氧传感器代替温度传感器或通过任何其他手段来计算。

但必须理解的是，详细说明中所阐述的构件的示例和实施例仅仅是说明性的，且并不限制本发明的范围。实施例中的许多变型和本发明方法的不同应用都是可被设想的。本发明的范围仅受限于权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于调节车辆的内燃发动机的废气管路中的废气催化器(70)再生频率的方法，所述方法包括以下步骤：

-检测(10)燃料箱(32)的燃料添加；

-在检测到所述燃料添加后，估计(20)对所述燃料而言的所述催化器(70)的转化效率，其中，所述废气催化器(70)的所述转化效率基于在废气中喷入所述燃料所产生的温升来确定；

-将所述转化效率与预定的转化效率比较(20)；和

-基于所喷入燃料的所比较的转化效率来调节(25)所述车辆中的所述废气催化器的再生频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温升在废气中通过燃料的后喷射产生。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温升在废气中通过将燃料直接喷入废气管(62)中产生。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转化效率是对吸附在所述催化器上的硫含量估算的。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于多种硫含量以及多种距离和/或由所述发动机消耗的多种燃料量中的至少一个，多种所述预定的转化效率值储存在查找表里。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述转化效率与预测的转化效率阈值不同时，所述废气催化器(70)的再生频率被调节。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在预定的时间内监测(T2)离开所述废气催化器(70)的废气的温度来确定所测得的温升。

8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述燃料在预定距离后或由所述发动机消耗了预定的燃油量后被喷入废气管中。

9.一种用于再生车辆中的废气催化器的装置(100)，包括：

检测元件(10)，其用来检测所述车辆的燃料添加；

喷射元件(12)，其用来在所述车辆添加燃料后将燃料喷入废气管；

监测元件(T2)，其用来监测所喷入的燃料的温升作用；

估计元件(20)，其针对所述温升作用估计所述废气催化器的再生频率；和

调节元件(25)，其根据所估计的转化效率来调节所述车辆中的所述废气催化器(70)的再生频率。

10.根据权利要求7所述的装置(100)，其特征在于，所述装置(100)包括查找表(50)，其中，所述查找表包括与所述燃料的硫含量和由所述车辆行驶的距离或消耗的燃料量相关的预定效率。